綠色能源集成技術在大空間復雜場館中的應用研究*

趙 毅，張紅永，蘆 文，劉 洋，胡 超

(中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

目前環境問題日益嚴峻，建筑對能量的大量消耗是一個重要原因。根據美國能源信息署(EIA)的預測報告，建筑能量消耗約占全球總量的76%；我國建筑總能耗約占全社會的25%，建筑的可持續生態設計成為大勢所趨。

大空間場館類建筑體量大、類型多、能耗高，由于其內部功能空間及交通流線復雜，且采用綜合運營機制，大空間建筑消耗能源巨大。一方面，容積大使環境控制負荷加重，需優化能源結構，加大對自然能源的利用比重，減少對化石能源的依賴,減輕地球環境的負荷；另一方面，這種超尺度的“大”也激活了其環境控制的復雜機制，產生了有別于常規建筑的新內容，因此須注重環境調節措施的系統化整合[1]。本文結合河南省科技館新館建設項目工程，介紹大空間場館類綠色能源集成技術的應用，為類似工程提供參考。

1 工程概況

河南省科技館新館位于鄭州市鄭東新區，毗鄰象湖風景游覽區。主場館共5層，地上4層，地下1層，總建筑面積10.51萬m2，建筑高43.85m，為目前全國最大的在建科技館項目，效果如圖1所示。

圖1 河南省科技館新館效果

項目展教功能完備，中庭部分為43m高的復合功能大廳，圍繞中庭設有豐富的主題展廳、特效影院空間、科普空間、設計研究管理空間及配套服務空間。

2 綠色能源集成技術應用研究

基于當地環境性能，設計并建造三星級綠色建筑，打造被動式節能場館，旨在建立一個微氣候環境，形成一個生態系統。

2.1 生態型循環水系統應用研究

2.1.1下凹式綠地

本工程滿足海綿城市設計要求，具有調蓄功能的下凹式綠地(含雨水花園和景觀水體)面積6 389.9m2，約占綠化總面積的30.19%。

利用植被緩沖帶引導道路雨水進入場地開放綠地等空間，合理采取徑流切斷措施。道路雨水進入地面生態設施前，通過滯蓄過程控制污染和徑流，再進行良好銜接，有效保證水體的水質和水量安全[2]。

道路雨水進入下凹綠地經植被凈化后下滲或溢流到基地雨水管網，下凹綠地的設計降低了一部分道路雨水的徑流污染負荷，且具有一定的調蓄功能。綠色雨水設施如圖2所示。

圖2 綠色雨水設施示意

2.1.2透水鋪裝

本工程透水鋪裝面積為43 735m2，約占硬質鋪裝地面面積的77.49%，采用植草磚、透水磚和透水混凝土，如圖3所示。地下室頂板上鋪設透水鋪裝時，覆土厚度≥600mm，且接連周邊一定面積的自然土壤，并在透水鋪裝的透水基層內設置疏水板(滲透管)，排水層設陶粒過濾布(土工布)。

圖3 透水鋪裝

透水鋪裝代替硬化路面的設計使其在保持原有功能的前提下促進雨水下滲，削減雨水徑流。

2.1.3屋頂綠化

主館3層屋面處設置草坪式屋頂綠化，屋頂綠化設置在除采光頂、設備、管道、太陽能板等設施外的屋面處，如圖4所示。與普通硬化屋面相比，屋頂綠化可有效減少屋面徑流總量和徑流污染負荷。

圖4 屋頂綠化位置及構造

2.1.4非傳統水源利用

1)回收范圍及用途 本項目共設置2套雨水回收利用系統，分別收集BS06-10-15，BS06-10-16地塊內的屋面和場地雨水，經處理達標后回用至各地塊內景觀補水、綠化灌溉、道路和車庫地面沖洗；BS06-10-15地塊的雨水回用還包括冷卻塔補水。初期徑流棄流和溢流雨水排至市政雨水管網和象湖。

2)雨水處理工藝流程 場地雨水→管網收集→截流溢流井、棄流井→雨水收集池(沉淀)→砂濾→清水池→次氯酸鈉消毒→提升泵→回用。

3)水量平衡分析 通過對BS06-10-15地塊逐月雨水用量進行平衡分析，得到全年雨水用量平衡圖，如圖5所示。

圖5 雨水回用平衡設計

由圖5可知，景觀補水量為1 372.2m3/年，全部采用回用雨水，回用雨水量占水景蒸發量的100%。

參照GB 50555—2010《民用建筑節水設計標準》，計算得綠化道路澆灑等用水總量為6 342.9m3/年， 采用回用雨水量為2 694.7+2 948.0=5 642.7m3/年，占用水總量的88.96%。

冷卻塔補水總量為32 400m3/年，采用回用雨水量為6 859m3/年，占冷卻塔補水總量的21.17%。

2.1.5經濟效益分析

初期土建與設備投入共100萬元，年節約運營成本5.41萬元，投資回收期約18.5年。雨水蓄水池設施除進行雨水資源化利用，還能起到控制徑流總量和削減徑流洪峰的作用減少雨水外排，減緩內澇壓力[3]，具有良好的經濟和環境效益。

2.2 低能耗暖通系統應用研究

2.2.1排風熱回收

裙房屋頂設置轉輪式全熱交換器，展廳及會議區域的空調箱設置轉輪型排風熱回收機組，全熱效率為60%[4]。本項目采用的轉輪式全熱交換器及轉輪式排風熱回收機組，總體成本回收期為4.9年，具有良好的經濟性。

2.2.2可再生能源——地源熱泵

地源熱泵系統采用2臺制冷量為2 009kW、制熱量為2 200kW的螺桿式地源熱泵機組，布置1 000口100m 深雙U形地埋管井。

地源熱泵提供的空調用冷量為23%(2 009×2/17 400)、用熱量為72%(2 200×2/6 140)，剩余冷、熱量分別由定頻離心式冷水機組、風冷熱泵機組和市政管網提供。

地源熱泵+冷水機組投資回收期約4.4年，具有良好的經濟效益。

2.2.3可再生能源——太陽能熱水

1)熱水系統 北側廚房餐飲設集中熱水系統，熱源采用太陽能(見圖6)，燃氣熱水爐作為輔助熱源；南側(含東側)廚房餐飲及淋浴設集中熱水系統，熱源采用地源熱泵提供的55℃高溫熱水。公共衛生間洗手盆熱水由容積式電熱水器提供。

圖6 屋面太陽能集熱器

2)可再生能源熱水比例 北側熱水系統最大時耗熱量為158.5kW，太陽能提供71.3kW；南側熱水系統最大時耗熱量為287.4kW，全部由地源熱泵提供；公共衛生間洗手用熱水最大時耗熱量為64.8kW，全部由電熱水器提供。

項目總熱水最大時耗熱量為510.7kW(1 838 409kJ/h)，可再生能源(太陽能和地源熱泵)提供358.7kW(1 291 320kJ/h)，占總熱水耗熱量的70.24%。

3)經濟效益估算 可再生能源產熱量約25×106MJ/年，折合為天然氣的量(天然氣燃燒效率按90%計算，熱量折算系數按1Nm3=35.544MJ )，年節約費用約273萬元(天然氣均價取3.5元/m3，不考慮使用周期內能源價格上漲)。考慮地源熱泵輔助熱源折算(50%)及季節運行折算(50%)，年實際節約費用68萬元。太陽能和地源熱泵系統的初期投資預估為500萬元，則投資回收期約7.4年。

2.3 節能型電氣系統應用研究

2.3.1高效照明系統

展廳、門廳、電影廳照明采用智能照明控制系統；樓梯間采用聲光控制感應系統，走道及電梯廳、地下機動車庫行車道和車位照明采用建筑設備自動管理系統(BAS)；室外景觀、建筑夜景照明采用智能照明控制系統。

2.3.2節能型電氣設備

1)節能變頻電梯 分區采用群控、轎廂無人狀態時自動關燈技術，自動扶梯可感應啟停[5]。

2)變壓器 選用高效率、低能耗、SCB13型環氧樹脂澆注低噪聲干式變壓器，滿足GB 20052—2013《電力變壓器能效限定值及能效等級》的節能評價值要求。

2.3.3建筑能耗監測系統

1)本項目設計了建筑能耗自動計量系統，系統主機放置在4層設備監控機房，通過統一管理平臺分類監測建筑水、電、氣、冷熱量的使用情況。

2)對于電量計量，本項目設置用電分項計量裝置，包括照明插座、空調、動力及特殊用電計量[6]。此外，影院、商業、餐飲等租戶分別按戶設置帶通信接口的計量電表，實現分戶計量。

3)能耗監測系統計量表精度不低于1.0級，電流互感器精度≥0.5級。電能計量表應設RS485等通信接口，能耗計量系統應設置TCP/IP等通信接口，以實時上傳能耗數據。能耗監測系統界面如圖7所示。

圖7 能耗監測系統

2.4 室內環境智能控制技術

2.4.1幕墻遮陽體系設計

本項目外窗和幕墻透明部分(見圖8)中可控調節遮陽措施面積占主要光照面的25%。

圖8 主場館幕墻系統分布

1)遮陽系統 采用固定穿孔鋁板+翻轉鋁板外遮陽+高反射可調內遮陽簾的形式。

固定穿孔陽極氧化鋁板設置于除翻轉鋁板外遮陽外的所有區域，采光區陽極氧化鋁板構造如圖9所示。翻轉鋁板外遮陽設置于西側主入口透明幕墻外側。可調內遮陽簾設置于業務研究辦公室、會議室、管理保障房等主要功能房間的外窗內側，報告廳、展廳高大空間透明幕墻內側設置電動遮陽簾。

圖9 采光區陽極氧化鋁板構造

2)自遮陽形體 在東、西側頂層相對于1層出挑一定寬度；入口底部設拱門與大懸挑，提供氣勢恢宏的半室外空間，同時形成有效的水平遮陽(見圖10)。

圖10 自遮陽形體

2.4.2室內空氣質量

1)室內空氣質量監控系統 在展廳、報告廳等人員密度高且隨時間變化的區域設置CO2濃度傳感器、室內污染物濃度傳感器，對室內CO2、污染物濃度進行數據采集、分析，并與通風系統聯動。當CO2濃度>1 800mg/m3、室內污染物濃度超標時實時報警，自動啟動送排風系統，及時補風換氣，保證室內空氣質量。

2)CO監測 地下車庫通風系統設置CO濃度監控系統，每個防火分區布置1個CO濃度監測裝置，當CO濃度>30mg/m3時，發出報警信號，并聯動控制車庫通風機開啟。

3 結語

河南省科技館新館建設項目屬于大空間展館類建筑，通過創新應用綠色建筑全生命周期能源集成技術，可改善建筑環境物理性能，提高空間品質[7]，創造良好的經濟、社會效益，取得的階段性成果可為后續同類項目的綠色集成建造技術提供參考經驗和實踐支撐。